Квантовый ликбез
Квантовая наука и квантовые технологии в вопросах и ответах
Каковы основные положения квантовой физики?
Квант — это наименьшая дискретная единица физической величины (например, энергии), которая может быть передана или обменена в ходе взаимодействия. Это определение было введено Максом Планком в 1900 году, что стало основой для появления нового революционного направления науки — квантовой физики.
Среди основоположников новой теории также стояли Альберт Эйнштейн, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и многие другие. Ими и были сформулированы базовые принципы, на которых основываются современные квантовые технологии. Коротко их можно сформулировать следующим образом.
- Квантование величин — энергия, момент импульса и другие физические параметры могут принимать лишь определенные дискретные значения.
- Принцип неопределенности — невозможно предсказать исход конкретного измерения, можно лишь вычислить вероятность получить тот или иной его исход.
- Принцип суперпозиции — частица может находиться в нескольких состояниях одновременно.
- Принцип запрета клонирования — нельзя создать точную копию квантового состояния.
Квантовая физика заложила фундамент для объяснения многих атомных и молекулярных процессов, более того, она стала основой многих современных технологий.
Что такое квантовые технологии?
Бурное развитие квантовой физики привело к появлению множества технологий, которые сегодня являются неотъемлемой частью нашей жизни. Квантовые эффекты лежат в основе полупроводниковых приборов, лазеров, оптоволоконной связи, ядерной энергетики и медицинской диагностики. Однако достижения квантовой механики не ограничиваются этими областями. В настоящее время активно развивается направление квантовых технологий, основанных на фундаментальных принципах квантовой механики.
Современные квантовые технологии принято делить на три ветви: квантовые вычисления, квантовая криптография и квантовая сенсорика. Квантовые компьютеры способны решать задачи, недоступные классическим системам, квантовая криптография обеспечивает абсолютно защищенную передачу данных, а квантовые сенсоры позволяют проводить измерения с точностью, выходящей за пределы возможностей классических приборов.
Что такое квантовые вычисления?
В 1980 году Юрий Манин исследовал то, как молекулы ДНК записывают и считывают генетическую информацию. Он предположил, что такие процессы могут быть эффективно смоделированы с помощью квантовых систем.
Годом позже, в 1981 году, идею квантового компьютера сформулировал Ричард Фейнман в докладе о моделировании физических процессов. Он подчеркнул, что все явления подчиняются квантовым законам, а классическая физика является лишь их приближенным описанием. При этом моделирование даже простых квантовых систем с помощью классических машин сталкивается с проблемой экспоненциального роста вычислительной сложности.
Фейнман впервые предложил концепцию квантового симулятора — квантовой системы, способной воспроизводить поведение более сложной квантовой системы, оставаясь при этом управляемой и предсказуемой. Такой подход позволил бы изучать новые квантовые явления, такие как сверхпроводимость и магнитные фазовые переходы, причем вместо громоздких классических вычислений сложные уравнения бы решала сама природа. Помимо этого, он предложил концепцию универсального квантового компьютера — устройства, которое можно перенастроить для решения различных задач, а не только для моделирования конкретных физических процессов.
Если поведение одиночного квантового объекта предсказуемо и относительно легко моделируется, то при увеличении числа частиц количество возможных состояний системы растет настолько быстро, что даже самые мощные классические суперкомпьютеры не справляются с задачей. Это связано с тем, что классический компьютер оперирует битами, которые могут принимать одно из двух состояний: 0 или 1. Таким образом, система из N битов может одновременно находиться только в одном из возможных состояний. В отличие от этого, в квантовых вычислениях основная единица информации — кубит. Кубит отличается тем, что он может находиться в состоянии суперпозиции 0 и 1, что позволяет ему представлять оба состояния одновременно.
Для решения каких задач применимы квантовые компьютеры?
Квантовые алгоритмы и их преимущества
Вопреки распространенному мнению, целью создания квантовых компьютеров не является полная замена классических. Их предназначение — решение задач, с которыми классические машины не справляются. Существует ряд задач, в которых квантовые алгоритмы обеспечивают значительное преимущество.
Факторизация чисел и криптография
Современная криптография, включая широко используемое шифрование RSA, основана на сложности факторизации больших чисел, получаемых в результате перемножения двух простых множителей, которые, в свою очередь, делятся только на себя и на единицу. Факторизация такого произведения требует огромных вычислительных ресурсов, что не позволяет классическим алгоритмам производить ее с требуемой скоростью.
В 1994 году Питер Шор предложил квантовый алгоритм, который разлагает числа на простые множители экспоненциально быстрее классических методов. Так, для факторизации числа длиной 2048 символов классическому компьютеру потребуются миллионы лет, в то время как квантовый алгоритм справится с этим за считаные минуты, что позволит взламывать большинство современных криптографических систем. Его работоспособность была подтверждена экспериментально, в том числе в 2012 году, когда с помощью квантового компьютера удалось разложить число 21 на множители.
Квантовый поиск: алгоритм Гровера
Поиск элемента в неструктурированной базе данных классическим методом требует в среднем просмотра половины элементов, а в худшем случае — полного перебора. Алгоритм квантового поиска, разработанный в 1996 году Ловом Гровером, предлагает квадратичное ускорение, находя нужный элемент за количество шагов, пропорциональное квадратному корню из числа записей.
Квантовые алгоритмы в химии и машинном обучении
Помимо криптографии и поиска, квантовые алгоритмы находят применение в других сложных задачах. Одним из примеров являетсявариационный квантовый решатель собственных значений (VQE), который позволяет моделировать химические реакции с точностью, недоступной классическим компьютерам при работе с крупными молекулами.
Квантовые вычисления также активно применяются в машинном обучении. Исследователи разрабатывают квантовые версии классических алгоритмов и используют квантовые методы для ускорения обработки данных в традиционных ML-моделях. Помимо этого, активно развиваются так называемые quantum-inspired algorithms — алгоритмы, предназначенные для классических компьютеров, однако использующие при этом некоторые принципы из квантовых вычислений. Подобные методы призваны улучшить производительность классических вычислительных систем, предлагая новые подходы к решению задач оптимизации, кластеризации и обработки больших данных.
При этом представленные выше примеры квантовых алгоритмов являются универсальными, поскольку задачи, на решение которых они направлены, находят применение и в других направлениях науки и техники.
Какие бывают кубиты?
Для создания кубита необходим объект, обладающий квантовым свойством суперпозиции. На данный момент существует несколько основных физических платформ, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Сверхпроводящие (сверхпроводниковые) кубиты — один из самых распространенных типов кубитов, используемых в квантовых процессорах Google, IBM, Rigetti. В России их разрабатывают в МФТИ, МИСИС и других центрах.
Они представляют собой сверхпроводящие микроскопические цепи, работающие при температурах, близких к абсолютному нулю. Благодаря сверхпроводимости ток в них протекает без сопротивления, подчиняясь законам квантовой механики. Управление осуществляется микроволновыми импульсами или магнитным полем.
К преимуществам можно отнести простоту масштабирования, возможность экспериментов с конфигурацией цепей и сравнительно низкие затраты на производство. Однако массовое производство приводит к вариациям на атомарном уровне, что снижает стабильность и точность вычислений, требуя дополнительных усилий для коррекции ошибок.
Еще один распространенный подход — использование охлажденных ионов, например, кальция или стронция. Ионы удерживаются в вакууме электромагнитными ловушками, а их движение подавляется лазерным охлаждением. Информация кодируется в устойчивых электронных состояниях, а управление кубитами осуществляется при помощи воздействия лазерного излучения.
Ионные компьютеры не требуют экстремального охлаждения, стабильнее сверхпроводниковых, но вычисляют медленнее и требуют сверхвысокого вакуума, что усложняет масштабирование. В России исследования в этой области ведутся в Российском квантовом центре, МГУ, ФИАН.
Что еще можно использовать в качестве кубитов?
Помимо сверхпроводниковых и ионных кубитов, разрабатываются и другие технологии создания квантовых вычислительных систем. Среди таких подходов можно выделить фотонные кубиты, кубиты на дефектах кристаллической решетки алмазов, топологические кубиты, кубиты на основе ядерного магнитного резонанса и кубиты, реализованные с использованием квантовых точек. Каждая из этих технологий имеет свои уникальные свойства, а их дальнейшее развитие может способствовать созданию более устойчивых и масштабируемых квантовых компьютеров.
Когда можно ожидать широкого внедрения квантовых компьютеров?
Предсказать точные сроки широкого внедрения квантовых компьютеров на данный момент чрезвычайно сложно, что вызывает оживленные дискуссии среди ученых. Некоторые эксперты уверены, что в ближайшие десятилетия квантовые технологии достигнут достаточной зрелости для решения реальных задач в науке и промышленности. Их оптимизм подкреплен ускоренным развитием рынка квантовых технологий, которое способствует созданию более стабильных и устойчивых к помехам систем. Однако есть и противоположная точка зрения: многие считают, что существующие проблемы, особенно фундаментальные, не могут быть решены в краткосрочной перспективе, поскольку для их устранения потребуется значительный прогресс в смежных областях науки. Наиболее вероятный сценарий предполагает, что в ближайшие десятилетия квантовые компьютеры смогут эффективно решать узкоспециализированные задачи, но для более широкого применения потребуется гораздо больше времени.
Как использовать квантовую механику для сохранения секретности передачи информации?
Сегодня информация — один из самых ценных ресурсов на планете. Каждый день в сети передаются огромные объемы данных, включая банковские реквизиты, паспортные данные и другую конфиденциальную информацию. Однако с ростом объема передаваемых данных неизбежно увеличивается и число утечек, взломов и кибератак.
Одним из ключевых преимуществ квантовых методов защиты информации является их способность обеспечивать принципиально новый уровень безопасности. Традиционные криптографические системы основаны на математической сложности вычислений, что потенциально делает их уязвимыми, в том числе и для квантовых компьютеров. Квантовые протоколы используют фундаментальные законы квантовой механики. Современные коммуникации в основном осуществляются через оптоволоконные сети, и квантовые системы шифрования могут быть интегрированы в уже существующую инфраструктуру, значительно повышая уровень защищенности передаваемых данных. Такой подход уже применяется в Китае для защиты банковских транзакций и государственной связи.
Что такое квантовое распределение ключа?
Наиболее распространенным алгоритмом квантового распределения ключа (КРК) является протокол BB84, предложенный Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром в 1984 году. Представим, что два абонента, традиционно называемые Алиса и Боб, хотят обменяться секретным ключом для последующего безопасного шифрования данных.
Алиса создает последовательность кубитов, где некоторая характеристика каждого кубита, которым является фотон, соответствует одному биту ключа. Эти кубиты передаются Бобу по оптоволоконному каналу связи. Однако, согласно принципам квантовой механики, любое измерение состояния кубита повлечет за собой разрушение этого состояния. Поэтому, если злоумышленник попытается перехватить передаваемый ключ, это неминуемо приведет к изменениям в данных, что не останется без внимания Алисы и Боба. Таким образом, при достижении порогового уровня ошибок, скомпрометированный ключ отбрасывается.
Что такое квантовая телепортация?
Использование квантовой запутанности представляет собой еще один перспективный метод безопасной передачи информации. Согласно законам квантовой механики, два квантовых объекта могут быть связаны (запутаны) между собой таким образом, что изменение состояния одного из них немедленно изменяет состояние другого, независимо от расстояния между ними. Это явление лежит в основе технологии квантовой телепортации.
В квантовой телепортации создаются пары запутанных фотонов, один из которых получает отправитель данных (Алиса), а второй — получатель (Боб). Когда Алиса получает свой запутанный фотон, она взаимодействует с ним с помощью «кубита памяти», хранящего данные, которые она хочет передать. Это взаимодействие изменяет состояние ее фотона, и, поскольку он запутан с фотоном Боба, состояние его фотона изменяется моментально. Это явление фактически позволяет «телепортировать» данные из «кубита памяти» Алисы в кубит Боба.
Однако на данный момент данная технология представляет собой сложнейшую научную и инженерную задачу и находится на ранней стадии развития. Среди основных проблем — улучшение точности и эффективности процесса, разработка подходящих систем квантовой памяти и связи, а также масштабирование квантовой телепортации для реальных приложений.
Что такое квантовые сенсоры?
Квантовая сенсорика — область квантовых технологий, в которой устройства, работающие на принципах квантовой механики, позволяют измерять физические величины с недостижимой для классических устройств точностью. Использование таких явлений, как квантовая запутанность, суперпозиция и туннелирование, дает квантовым сенсорам возможность обнаруживать малейшие изменения в гравитации, магнитных и электрических полях. Эти свойства находят применение в различных областях, таких как геологоразведка, биомедицина, высокоточная навигация и многие другие.
Одним из самых значимых достижений в области квантовой сенсорики являются атомные часы, которые способны фиксировать время с беспрецедентной точностью. Принцип работы любых часов основан на фиксации осцилляций механизма, который колеблется с постоянной частотой. В атомных часах вместо механических колебаний используются осцилляции электромагнитного излучения между уровнями атомов. С 1967 года секунда как базовая единица времени определяется как 9 192 631 770 периодов излучения, возникающего при переходе между сверхтонкими уровнями атома цезия-133.
На сегодняшний день самые точные атомные часы обладают ошибкой порядка одной секунды за 100 млн лет. Тем не менее для ряда научных задач такой точности недостаточно, и активно разрабатываются оптические атомные часы. Например, использование атомов тория может повысить точность измерений еще на два порядка, что откроет новые возможности в научных исследованиях и усовершенствует существующие технологии.
Другим примером квантовых детекторов являются квантовые магнитометры, работа которых основана на квантовых свойствах токов, протекающих в сверхпроводниках, уже успешно применяющиеся в медицинской диагностике. Эти устройства способны регистрировать слабые магнитные сигналы с точностью до10−15 Тл, что значительно превосходит предел классических приборов, ограниченных уровнем 10−10 Тл. Такое улучшение чувствительности позволяет более точно фиксировать магнитные сигналы, возникающие при активности головного мозга и сердца (10−10−10−13 Тл), что способствует разработке более точных и информативных методов диагностики заболеваний.
Также к ярким примерам современных квантовых сенсоров можно отнести сенсоры, которые используют квантовые эффекты, возникающие при замещении атома углерода атомом азота в кристаллической решетке алмаза (NV-центрах в алмазах). Подобные сенсоры позволяют отслеживать изменения электрических и магнитных полей на наноуровне. Это открывает новые горизонты для развития нанотехнологий, где такие сенсоры могут быть использованы для создания более точных и эффективных устройств в самых разных областях, от медицины до материаловедения.
